Карбонатный наполнитель
ВЛИЯНИЕ КАРБОНАТНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА СВОЙСТВА БЕТОНОВ
Представлены результаты оценки влияния карбонатного наполнителя на физико-механические свойства тяжелого, мелкозернистого бетонов и неавтоклавного пенобетона.
Results of an estimation of influence carbonate concrete aggregate on phys-icomechanical properties of heavy, fine-grained concretes and non autoclave foam concrete are presented.
Ключевые слова: карбонат, бетон, физико-механические свойства.
Key words: carbonate, concrete physicomechanical properties.
Уральский край славится огромными запасами ценнейших горных пород, которые в качестве сырья используются в металлургической, тепло-энергетической, строительной и других отраслях промышленности. Одной из таких пород является мрамор. Мрамор представляет собой метаморфическую горную породу, образовавшуюся в результате полиморфных и физико-химических преобразований карбонатных пород, приведших к повышению их декоративных свойств, к которым можно отнести цвет, блеск и податливость механической обработке при шлифовке. Декоративные свойства мрамора наи-более высоко ценятся и широко используются в строительной отрасли. Однако не все Уральские мраморы обладают комплексом физико-механических и деко-ративных свойств, позволяющих использовать их в качестве декоративного и поделочного камня.
Таковым мрамором является мрамор Ново-Ивановского карьера вблизи
г. Полевского, разрабатываемого ООО «Эверест». Мрамор данного месторож-дения не обладает высокими декоративными свойствами, ограничивающими его применение в данном качестве. В то же время, по данным количественного рентгенофазового и химического анализов, мрамор Ново-Ивановского место-рождения на 99,5% состоит из карбоната кальция с прочностью не ниже 60,0 МПа и истинной плотностью 2,65 г/см3. В мраморе Ново-Ивановского место-рождения встречаются черные включения, общее количество которых не пре-вышает 2,0%. Данные количественного рентгенофазового анализа черных включений представлены в табл. 1.
| Наименование минерала |
Химическая (минералогическая) формула |
Количество, масс. % |
| Глауконит |
K•2,5MgO •4SiO2•(OH)2 |
9,0 |
| Роговая обманка (класс амфибо-лов) |
Ca2 [Mg, Fe]4 [Al, Fe] [(Si, 7Al)4O11]2[OH, F]2, |
46,0 |
| Биотит (гидрослюды) |
K Mg3 AlSi3 O10 (OH)2 |
11,0 |
| Лабрадорит |
(Ca0,96Na0,04)(Al1,96 Si0,04)Si2O8 |
33,0 |
Такой минералогический состав мрамора и черных включений и их физи-ко-механические свойства не исключают возможность их использования в ка-честве крупного и мелкого заполнителей в различных видах строительных бе-тонов.
Карбонатные минералы на основе метаморфических и осадочных горных пород имеют по сравнению с традиционными заполнителями бетонов на основе магматических горных пород меньшую механическую прочность, тем не ме-нее, обладают существенным преимуществом, выражающимся в их повышен-ной химической активности. На эту особенность карбонатных наполнителей бетонов указывается в целом ряде работ. По данным [ ] прочность сцепления мрамора с цементным камнем выше, чем у известняка, магнезита, гранита и диабаза. Хорошо известно, что суммарная прочность бетона контролируется когезионными прочностями цементного камня и наполнителей и адгезионной прочностью цементного камня с наполнителями [ ]. Минимальное значение одной из этих прочностей лимитирует общую прочность бетона. Заполнители бетонов на основе магматических горных пород, обладая более высокой меха-нической прочностью по сравнению с метаморфическими горными породами, имеют меньшую адгезионную прочность к цементному камню и не оказывают никакого воздействия на прочность цементного камня, что при прочих равных условиях приводит к более высокой суммарной прочности бетонов на основе карбонатных наполнителей.
Причиной химической активности карбонатных пород является образова-ние в системе карбонат - цемент гидрокарбоалюмината кальция 3CaO ∙Al2O3 ∙ CaCO3 ∙ 11 H2O [ ], гидрокарбоната кальция - СаСО3∙Са(ОН)2∙H2O [ , ] и гидро-сульфокарбосиликата кальция (таумасит) CaO•SiO2∙CaSO4∙CaCO3∙15 H2O [ ]. В силу не растворимости карбоната кальция данные соединения могут образовы-ваться преимущественно на поверхности мрамора. По данным химического анализа в мраморе присутствует некоторое количество растворимых соедине-ний, представленных в основном бикарбонатом кальция, который может спо-собствовать образованию указанных выше соединений не только на поверхно-сти мрамора, но и внутри цементного камня. Протекание химических реакций мрамора с продуктами гидратации цемента приводит не только к повышению общей прочности бетона, но и снижению его водопоглощения и повышению морозостойкости вследствие уплотнения внутрипорового пространства це-ментного камня.
Количество работ по влиянию карбонатного наполнителя на свойства не-автоклавного пенобетона довольно ограничено, что позволяет сделать вывод о не достаточном внимании производителей неавтоклавного пенобетона на дан-ный вид заполнителей. В работе [ ] указывается, что использование ракушеч-ника для приготовления неавтоклавного пенобетона вместо кварцевого песка позволяет повысить прочность неавтоклавного пенобетона марки D600 после ТВО с 1,9 МПа до 2,3 МПа, при расходе портландцемента марки ЦЕМI 42,5Н по ГОСТ 31108-2003 380 кг/м3. Авторы объясняют повышение прочности неав-токлавного пенобетона повышением однородности мелкопоровой структуры по всему объему пенобетона и более высокой гидратационной активности раку-шечника.
При проведении работы изучалось влияние крупного, мелкого заполните-лей (отсевов от дробления) и микрокальцита на основе мрамора Ново-Ивановского месторождения на свойства тяжелого, мелкозернистого бетонов и неавтоклавного пенобетона. В качестве вяжущего использовался портландце-мент марки ЦЕМI 42,5Н по ГОСТ 31108-2003. Для приготовления контроль-ных образцов тяжелого бетона в качестве крупного заполнителя использовался гранитный щебень, а в качестве мелкого заполнителя отсевы от дробления гра-нита. Для приготовления мелкозернистого бетона использовались отсевы от дробления серпентинитовых пород и мрамора. Для приготовления контрольных образцов из неавтоклавного пенобетона использовался полевошпатный песок. Химический состав исходных материалов, использованных в работе, представ-лен в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав исходных материалов, мас. %
| Компонент | CaO | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | SO3 | MgO | P2O3 | Прочие |
Δmпрк | Сумма |
| Микрокальцит (CaCO3) | 56,60 | 0,02 | 0,03 | 0,02 | 0 | 0,36 | 0,01 | 0 |
42,95 | 99,99 |
| Черные включения | 10,70 | 47,00 | 18,50 | 12,40 | 0 | 6,00 | 0,5 | 3,66 |
1,2 | 99,96 |
| Гранит | 0,02 | 81,2 | 12,8 | 0,03 | 0 | 0 | 0 | 4,30 | 1,34 | 99,69 |
| Серпентинит | 0,20 | 41,65 | 0,87 | 0,96 | 0 | 41,76 | 0 | 0,33 | 14,2 |
99,97 |
| Песок полевошпатный | 0,52 | 65,5 | 19,1 | 0,1 | 0 | 0,13 | 0 | 14,21 | 0,42 | 99,98 |
Гранулометрический состав крупного и мелкого заполнителей подбирал-ся приблизительно равным. Размер щебня был 10-20 мм, а модуль крупности отсевов от дробления Мкр=3,52-3,53.
При проведении сравнительных испытаний тяжелого бетона состав рас-считывался по стандартной методике [2] с варьированием содержания цемента путем замены части мелкого заполнителя. Определялась прочность стандарт-ных образцов бетона после тепло-влажностной обработки (ТВО) и марочная прочность после выдержки бетона в течение 28 дней в воздушно сухих услови-ях. Результаты испытаний представлены в табл. 3.
Результаты испытаний свидетельствуют, что после ТВО тяжелые бетоны на основе гранитного и мраморного наполнителей имеют практически равные прочности, а после твердения в воздушно-сухих условиях прочность бетона на основе мраморных наполнителей выше прочности бетона на основе гранитных наполнителей в среднем на 12%.
При оценке свойств тяжелого бетона на основе мрамора, изучалось влия-ние типа портландцемента, используемого для приготовления бетона, на гидра-тационную активность системы цементный камень – мрамор. В соответствии с требованиями ГОСТ 31108-2003 цементные заводы могут производить доба-вочные цементы марки ЦЕМ II, в которые допускается введение до 20% доба-вок. Тип добавок нормативными требованиями не оговаривается, поэтому до-бавочный цемент может содержать 20% карбонатной породы, вследствие чего эффект от использования карбонатной породы будет минимален. Даже если в качестве добавок используются не карбонатные породы, а например пуццоланы на основе аморфного кремнезема, все равно действие карбонатного наполните-ля на свойства бетона будет сведено к минимуму, т.к. все пуццолановые добав-ки активно поглощают гидроксид кальция, выделяющийся при гидратации портландцемента.
Для определения влияния типа цемента на прочность бетона использова-лись портландцементы трех типов: ЦЕМII 32,5Н (ПЦ400 Д20), ЦЕМI 32,5Н (ПЦ400 Д0) и ЦЕМI 42,5Н (ПЦ 500 Д0). Оптимизация состава тяжелого бетона осуществлялась методами планирования эксперимента. Условно при проведе-нии оптимизации указанные выше цементы были маркированы как марки 400, 450 и 500 соответственно. Количество цемента в бетоне варьировалось в интер-вале 350-550 кг/м3. Для определения оптимального состава бетона марки 400 (класс В 32,5) использовалась оптимизация по плану полного факторного экс-перимента (ПФЭ) с двумя факторами на трех уровнях 32. В качестве первого фактора использовалась марка цемента, а в качестве второго - расход цемента для приготовления бетона в кг/м3. В качестве функций отклика анализирова-лись прочность после ТВО и марочная прочность в МПа. План проведения экс-перимента с результатами и расчетными значениями, определенными по урав-нению регрессии, представлен в табл. 4.
Анализ результатов эксперимента осуществлялся только по марочной прочности. Уравнение регрессии, описывающее результаты эксперимента в за-висимости от марки и расхода цемента, выглядит следующим образом
R28=-31,70+0,25•M-0,0001•M2-0,172•N+0,0002•N2+0,00008N•M. (1)
Оценка адекватности уравнения регрессии 1 по коэффициенту корреля-ции приведена на рис 1.
Рис. 1 Коэффициент корреляции для фактической и рассчитанной по уравнению регрессии марочной прочности
Коэффициент корреляции свидетельствует, что практически все результа-ты эксперимента укладываются в 95 % доверительный интервал, поэтому ре-зультаты, описываемые уравнением регрессии 1 можно использовать для ана-лиза результатов планирования эксперимента.
На рис. 2 показан общий вид функции отклика для марочной прочности бетона на основе карбонатного наполнителя.
Рис. 2 Общий вид функции отклика для марочной прочности бетона на основе карбонатного наполнителя
На рис. 3 показаны изолинии равной марочной прочности бетона на ос-нове карбонатного наполнителя.
Рис. 3 Изолинии равной марочной прочности бетона на основе карбонат-ного наполнителя
Анализ изолиний марочной прочности бетона на основе карбонатного наполнителя свидетельствует, что требованиям к марочной прочности бетона 40,0 МПа отвечают составы на основе цемента марки ЦЕМI 42,5Н (ПЦ 500 Д0) с минимальным расходом 450 кг/м3 (R28=40,8 МПа). Состав на основе портландцемента ЦЕМI 32,5Н (ПЦ 400 Д0), удовлетворяющий требованиям по марочной прочности бетона, выходит за пределы факторного плана. Использо-вание экстраполяции с помощью уравнения регрессии 1 позволяет предсказать, что марочная прочность бетона в 40,0 МПа достигается на данном цементе при расходе цемента 572 кг/м3. Ни один из составов на основе портландцемента ЦЕМII 32,5Н (ПЦ400 Д20) не достигает требуемой марочной прочности бетона.
Результаты эксперимента свидетельствуют, что для достижения макси-мального эффекта при приготовлении тяжелых бетонов на основе карбонатных наполнителей рекомендуется использовать только бездобавочные цементы.
Мелкозернистые бетоны готовились на основе отсевов от дробления мра-морной и серпентинитовой горных пород. Серпентинитовая порода выбрана в качестве заполнителя мелкозернистого контрольного бетона вследствие низкой адгезии серпентинита к цементному камню. Состав бетона рассчитывался на получение марки 200. Для оценки влияния добавки пыли на прочность мелко-зернистого бетона рассчитывались составы бетона с заменой цемента 5,10,15 и 20% пылью от дробления горных пород. На основе пыли и отсевов от дробле-ния серпентенитовых и карбонатных горных пород готовились бетоны и прово-дилось определение их прочности при сжатии с интервалом 7 дней. По резуль-татам испытаний строились кинетические кривые набора прочности испытуе-мых бетонов.
В табл. 5 и на рис. 4 представлены результаты испытания бетона с добав-кой серпентинитовой пыли.
Таблица 5
Рис. 4 Кинетика твердения бетона с серпентинитовой пылью
В табл. 6 и на рис. 5 представлены результаты испытания бетона с добав-кой карбонатной пыли.
Таблица 6
Рис. 5 Кинетика твердения бетона с карбонатной пылью
В соответствии с приведенными результатами испытаний, добавление в мелкозернирстый бетон вместо цемента всего 5 % серпентинитовой пыли при-водит к резкому падению марочной прочности бетона на 35 %. Увеличение ко-личества серпентенитовой пыли в составе бетона приводит к еще большему па-дению его прочности. Добавление в бетон 10 % карбонатной пыли вместо портландцемента, приводит к повышению марочной прочности бетона на 6,5 %. При введении в бетон 12 % карбонатной пыли, прочность бетона равна прочности бетона на бездобавочном цементе.
Влияние карбонатной породы на свойства неавтоклавного пенобетона изучалось при приготовлении наиболее распространенной марки пенобетона по плотности D600. Для приготовления контрольного состава пенобетона исполь-зовался полевошпатный песок с модулем крупности Мк=1,8. Пенобетон гото-вился путем введения готовой пены на основе синтетического пенообразовате-ля ПБ 2000 в композицию на основе портландцемента, воды и мелкого запол-нителя. Контрольный состав для приготовления неавтоклавного пенобетона представлен в табл. 7.
Таблица 7
Данный состав используется на одном из предприятий, специализирую-щемся на производстве блоков из неавтоклавного пенобетона. На первом этапе исследований изучалась возможность замены части портландцемента микро-кальцитом МК 100 с сохранением физико-механических свойств неавтоклавно-го пенобетона. Микрокальцит МК 100 характеризуется средним размером час-тиц 100 мкм и имеет равную с портландцементом водопотребность, вследствие чего замена части портландцемента микрокальцитом не приводит к изменению водопотребности пенобетона. При проведении работы часть цемента заменя-лась микрокальцитом в количестве от 0 до 40% с шагом 10% от массы порт-ландцемента. Готовый неавтоклавный пенобетон хранился завернутым в поли-этиленовую стрейч-пленку. Прочность при сжатии стандартных образцов кубов определялась через 7, 14, 21 и 28 дней. Результаты испытаний представлены в табл. 8 и на рис. 6.
Таблица 8
Рис. 6 Влияние содержания микрокальцита МК100 на прочность пенобе-тона при сжатии
Результаты испытаний свидетельствуют, что введение микрокальцита МК 100 вместо портландцемента в состав неавтоклавного пенобетона в количестве 20% способствует повышению прочности неавтоклавного пенобетона на всех этапах твердения. Введении 30 % микрокальцита в состав неавтоклавного пе-нобетона взамен портландцемента, позволяет иметь марочную прочность, рав-ную марочной прочности пенобетона на чистом портландцементе. По результа-там испытаний предприятию было рекомендовано вводить в состав неавто-клавного пенобетона 20% микрокальцита МК 100 взамен портландцемента, что позволило повысить марочную прочность пенобетона и снизить расход цемента на его приготовление. При использовании в составе неавтоклавного пенобетона микрокальцита можно отметить, как и в работе 7, улучшение однородности пор, увеличение их количества и уменьшение размеров.
Используя данную рецептуру, предприятие успешно производило блоки из неавтоклавного пенобетона, пока резко не ухудшилось качество поставляе-мого им полевошпатного песка по содержанию глинистой составляющей. Уве-личение глинистой составляющей полевошпатного песка привело к увеличе-нию водопотребности неавтоклавного пенобетона и снижению его марочной прочности. Для снижения отрицательного влияния полевошпатного песка на физико-механические свойства неавтоклавного пенобетона изучалась возмож-ность его полной замены отсевами от дробления мрамора. По просьбе предпри-ятия были проведены сравнительные испытания неавтоклавных пенобетонов на основе отсевов от дробления мрамора Ново-Ивановского карьера и мраморного карьера, расположенного ближе к данному предприятию. Результаты определе-ния гранулометрического состава мраморных карьеров представлены в табл. 9.
Таблица 9
* - частный остаток;
**- полный остаток
По результатам испытаний можно отметить повышенное содержание в отсеве мраморного карьера фракции крупнее 5 мм (11,5 %) и глинистой состав-ляющей (21,0 %). Повышенное содержание в отсеве фракции крупнее 5 мм в дальнейшем может привести к их оседанию в нижней части формы при приго-товлении пенобетона. Повышенное содержание глинистой составляющей в от-севе может привести к падению прочности пенобетона из-за снижения адгези-онной прочности. Модуль крупности отсева Ново Ивановского карьера равен Мкр= 3,52, т.е. отсев относится к пескам повышенной крупности, модуль круп-ности отсева мраморного карьера равен Мкр=3,25, т.е. отсев тоже относится к пескам повышенной крупности.
Для определения кинетики набора прочности готовились композиции для приготовления неавтоклавного пенобетона без введения пены на основе поле-вошпатного песка и отсевов от дробления мрамора двух карьеров. Такая мето-дика позволяет исключить влияние плотности неавтоклавного пенобетона на прочностные характеристики и более точно оценить влияние различных напол-нителей на его прочность. Составы композиций для приготовления неавтоклав-ного пенобетона, подвергнутых испытаниям, представлены в табл. 10.
Таблица 10
Результаты испытаний композиций для приготовления неавтоклавного пенобетона представлены в табл. 11.
Таблица 11
Результаты испытаний позволили рекомендовать предприятию полно-стью отказаться от полевошпатного песка и микрокальцита и перейти на мра-морный отсев Ново Ивановского карьера при сохранении существенной эконо-мии портландцемента и повышении марочной прочности пенобетона. Вследст-вие химической активности карбонатного наполнителя неавтоклавного пенобе-тона и поглощения им гидроксида кальция, выделяющегося при гидратации портландцемента, снизилась трещиноватость блоков.
Выводы
1. Карбонатные наполнители бетонов, обладают повышенной химической активностью по отношению к цементному камню, вследствие чего повышается адгезия наполнителя к цементному камню и уплотнение внутрипорового про-странства цементного камня.
2. Использование карбонатных наполнителей в составе тяжелого и мелко-зернистого бетонов приводит к повышению их физико-механических свойств.
3. Для приготовления бетонов с карбонатными наполнителями рекомен-дуется использовать только бездобавочные цементы.
4. Использование для приготовления неавтоклавного пенобетона микро-кальцита в сочетании с кварцевым песком или полностью отсевов от дробления мрамора, позволяет повысить марочную прочность неавтоклавного пенобетона при одновременном снижении расхода портландцемента на приготовление пе-нобетона.
|
|
Написать нам письмо
Телефон: +7(34350)7-14-13
Телефон: +7-904-3897222
Факс: +7(34350)5-44-72
Отдел сбыта: 441204725